Раскрыта тайна релятивистских джетов: вращение черных дыр порождает космические ускорители
Еще в 1918 году, за столетие до того, как коллаборация Телескопа Горизонта Событий получила первое изображение черной дыры в центре галактики M87, астроном Хебер Кертис обнаружил загадочный луч, исходящий из ее сердца. Сегодня мы знаем, что это релятивистский джет сверхмассивной черной дыры M87*.
Подобные струи частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, испускают многие активные черные дыры. Они переносят энергию и материю через вселенную, влияя на формирование целых галактик. Но как именно черные дыры, эти гравитационные ловушки, из которых не может вырваться даже свет, производят такие мощные выбросы?
Команда теоретических астрофизиков Франкфуртского университета имени Гёте под руководством профессора Лучано Реццоллы, похоже, нашла ответ. Ученые разработали высокоточный численный код (Frankfurt particle-in-cell code for black hole spacetimes, или FPIC), который с беспрецедентной детализацией описывает процесс преобразования энергии вращения черной дыры в колоссальную мощность релятивистских джетов.
Результаты исследования, опубликованные в The Astrophysical Journal Letters, бросают вызов устоявшимся представлениям. До сих пор считалось, что за извлечение вращательной энергии черной дыры ответственен исключительно механизм Блэндфорда — Знаека, при котором мощные магнитные поля, скручиваемые вращением черной дыры, действуют как гигантский электромагнитный генератор.
Однако моделирование с помощью кода FPIC выявило еще один ключевой процесс — магнитное пересоединение. В экваториальной плоскости черной дыры, где сосредоточены интенсивные магнитные поля, их силовые линии разрываются и замыкаются в новой конфигурации. Это приводит к взрывному высвобождению энергии, которая нагревает плазму, порождает излучение и ускоряет частицы.
«Наше моделирование показало интенсивную активность пересоединения, в результате которой формируется цепь плазмоидов — сгустков плазмы, движущихся почти со скоростью света. Этот процесс сопровождается рождением частиц с отрицательной энергией, что и служит топливом для экстремальных астрофизических явлений, таких как джеты», — поясняет доктор Клаудио Меренголо, главный разработчик кода.
Моделирование требовало колоссальных вычислительных мощностей суперкомпьютеров, так как необходимо было одновременно решать уравнения Максвелла для электромагнитных полей и уравнения движения частиц в искривленном пространстве-времени, описываемом общей теорией относительности Эйнштейна.
«Наши результаты открывают fascinating возможность того, что механизм Блэндфорда — Знаека — не единственный процесс, способный извлекать вращательную энергию из черной дыры. Магнитное пересоединение вносит значительный вклад», — добавляет доктор Филиппо Камиллони, участник проекта.
«Эта работа позволяет нам продемонстрировать, как энергия эффективно извлекается из вращающихся черных дыр и направляется в джеты, — заключает профессор Реццолла. — Это помогает объяснить как экстремальную светимость активных галактических ядер, так и ускорение частиц до почти световых скоростей».
Открытие франкфуртских астрофизиков рисует более сложную и динамичную картину того, что происходит на границе величайших монстров Вселенной. Вращающаяся черная дыра не просто пассивно искривляет пространство вокруг себя — она создает вокруг себя бурлящий котёл из сверхсильных магнитных полей и высокоэнергетической плазмы.
Джет, который мы наблюдаем за тысячи световых лет, рождается в этом котле у самого горизонта событий. Механизм Блэндфорда — Знаека задает основную, стабильную структуру джета, вытягивая его вдоль оси вращения черной дыры. Магнитное пересоединение же действует как мощный и хаотичный ускоритель частиц второго уровня, впрыскивая в этот поток дополнительные порции разогнанной до релятивистских скоростей плазмы и добавляя джету дополнительной энергии.
Это открытие не только решает давнюю загадку астрофизики, но и открывает новые пути для исследований. Понимание двойного механизма работы этих космических ускорителей позволит точнее интерпретировать данные наблюдений за активными галактиками и квазарами. В конечном счете, оно помогает нам понять, как самые экстремальные объекты во Вселенной формируют свое космическое окружение и влияют на ее крупномасштабную эволюцию.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
